【摘要】：針對目前水系鋅離子電池缺少電化學極化小且比能量高,結構穩(wěn)定的正極材料。本論文的主要針對高穩(wěn)定性鋅離子電池正極材料的制備及性能進行研究,主要涵蓋以下四部分:(1)Ni_3S_2@C納米片復合材料的制備及其作為水系鋅離子電池正極材料的性能研究。我們以二維Ni-MOFs為前驅體,經過一步碳化硫化制備出Ni_3S_2@C納米片復合材料。通過與β-Ni(OH)_2性能對比,我們發(fā)現(xiàn)Ni_3S_2@C具有比β-Ni(OH)_2更高的比容量,更好的倍率性能,更低的充電電壓,因此更適合應用于堿性水系鋅離子電池。(2)蜂巢狀Co_9S_8@C復合材料的制備及其作為水系鋅離子電池正極材料的性能研究。在本章節(jié)我們嘗試使用具有多電子轉移氧化還原反應的Co基化合物,用作堿性水系鋅離子電池的正極材料。我們以Co-MOFs為前驅體,經過一步硫化碳化,制備出具有3D蜂巢結構的Co_9S_8@C復合材料。通過與傳統(tǒng)方法制備的Co_9S_8電極材料進行性能對比,我們發(fā)現(xiàn)Co_9S_8@C復合材料具有比Co_9S_8更高的比容量,更好的倍率性能,更高的循環(huán)穩(wěn)定性,因此更適合應用于堿性水系鋅離子電池。(3)中空海膽狀多孔Co_(1-x)S@C復合材料的制備及其作為水系鋅離子電池正極材料的性能研究。在本章中,我們設計了一種簡單又有效的“犧牲模板引導晶體自組裝”(TECSA)的方法,將納米MOFs材料像樂高積木一樣堆積,可根據(jù)設計搭建出具有特定三維結構的MOFs超結構材料。通過這種“犧牲模板引導晶體自組裝”的方法我們可以制備出一系列3D結構可調的MOFs超結構。我們以ZIF-67自組裝成的空心海膽狀超結構為例子,通過液體柯肯達爾效應將空心海膽超結構的ZIF-67單元(HU-ZIF-67S),轉化成空心多孔結構,再經過一步碳化硫化,制備出具有分級多孔空心海膽狀Co_(1-x)-x S@C復合材料(HPHU-Co_(1-x)S@C)。該電極材料具有優(yōu)異的電化學性能,比容量倍數(shù)于通過其他方法制備的Co_(1-x)S電極材料,并且優(yōu)于大部分其他方法制備的金屬硫化物。(4)為了進一步降低水系鋅離子電池的成本,提高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,在本章中,我們報告了一種以多孔空心炭納米棒為正極,商業(yè)鋅板為負極,ZnSO_4為電解液的高能量密度,高功率密度,長循環(huán)性能的新型的混合型鋅離子超級電容器儲能系統(tǒng)。我們通過低溫自聚合,成功制備出具有空心結構的聚苯胺納米棒,通過不同溫度碳化及KOH活化,制備出具有不同比表面積及孔徑分布的多孔空心炭納米棒,該材料具有高比容量、高倍率性的電化學性能。我們認為多孔空心炭納米棒//2M ZnSO_4//Zn電池非常滿足大規(guī)模儲能對于安全性,高倍率性和超長循環(huán)壽命的要求,是一種非常有潛力的儲能系統(tǒng)。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1;TM912
【圖文】：

3圖 1.1（a）水系 LIB 的電極材料，（b）水系 NIB 的電極材料。Figure 1.1. Electrochemical stability range of water and redox potentials for electrode materials inLIBs(a) and NIBs(b).

圖 1.2 鋅嵌入α-MnO2的機理[68]。1.2. Schematic illustrating the mechanism of zinc intercalation into α-M們對 Zn-α-MnO2二次電池的研究進一步深入，Liu 與其同事理[72]。他們認為在放電過程中Mn2+會從電極材料中溶解到解到電解液中的 Mn2+無法完全被回收到電極材料當中。他溶解是動態(tài)持續(xù)的，一直達到電解液中 Mn2+的溶解平衡是持續(xù)損失的。他們通過在電解液中添加 MnSO4，提高電極材料中的 Mn2+溶出，大大的提高 Zn-α-MnO2電池的的O2電池的實際容量來自 H+和 MnO2之間的轉化反應，而不容量。該研究團隊認為 Zn-α-MnO2二次電池的正極電池相同。Zn-MnO2二次電池和 Zn-MnO2一次電池之間的唯下在Zn電極處形成的產物的可逆性�？傊�，研究人員提出

10圖 1.3 制備的γ-MnO2正極中 Zn 插入反應途徑的示意圖[67]。. Schematic illustration of the reaction pathway of Zn-insertion in the cathode[67].O2電極材料，γ-MnO2也被研究者們廣泛的研究。Kim 等電池的正極材料時，γ-MnO2在充放電過程中會發(fā)生獨特原位 X 射線吸收近邊光譜（XANES）和同步輻射 XRD 對.3 所示，作者發(fā)現(xiàn)在放電初期隧道式γ-MnO2會部分轉隨著 Mn4+的氧化態(tài)降低至 Mn3+。隨著放電深入，剩下的形γ-ZnXMn2O2。在放電終態(tài)，研究者們在放電產物中檢道型γ-ZnxMn2O4和層型 ZnyMnO2的共存。在隨后的充電過

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本文編號：2763664